100W自由活塞式斯特林发电机设计制造关键技术研究

摘要

自由活塞式斯特林发电机系统是由自由活塞式斯特林发动机（Free-Piston Stirling Engine，简称FPSE）和直线发电机耦合而成，该系统省去了曲柄连杆机构，结构紧凑。两者的耦合设计使两者的各自优势充分发挥，从而使自由活塞式斯特林发电机具备了环保、燃料来源广、高效、高比功率、高可靠性、低噪音等显著优势，进而在太阳能、核能、燃料能等利用领域凸显出独特的竞争力。随着我国在深空探测、地面太阳能发电、家庭热电联供、余热回收等领域对特种热电转换装置的需求日益突出，自由活塞式斯特林发电机正以其独特的性能优势逐渐成为新的研究热点。
　　本文所研究的100W自由活塞式斯特林直线发电机主要用于同位素热源斯特林发电机系统中，当前处于试验验证阶段。该种类型斯特林发电机主要应用于空间探测飞行器和空间站，充当空间核电源的作用。本文围绕其相关性能参数的设计及关键零部件板簧、配气活塞和动力活塞的设计、加工进行了分析研究，同时还完成了整个试验系统的搭建并进行了相关试验研究，主要研究内容如下：
　　（1）利用等温模型分析法对该100W自由活塞式斯特林发电机的主要性能参数进行了设计：主要包括工质的选择、系统比尔数的确定、动力活塞气缸容积的确定、无益容积的确定、扫气容积比及配气活塞气缸容积的确定、不同腔室容积变化规律和功率计算以及系统功率的优化，还包括直线发电机部分的主要性能参数设计。
　　（2）对系统中的关键零部件进行了研究：主要包括板簧的三维建模、理论研究和有限元仿真分析。有限元仿真分析主要包括板簧刚度、固有频率、疲劳特性等方面的分析。得到了更好的板簧设计方法，并最终设计出了满足性能要求的板簧。选用光化学蚀刻加工方法对板簧进行了加工，得出此种加工方法加工出来的板簧性能基本满足使用要求。同时为配气活塞和动力活塞选择了合适的材料，完成了活塞的尺寸设计与加工，主要介绍了两个活塞的尺寸公差和形位公差的设计。选用合理的加工工艺流程完成了配气活塞和动力活塞的加工，用三坐标测量仪Mistral070705完成了尺寸的测量，得出实际测量的尺寸满足设计要求。
　　（3）完成了所有零部件的加工、检测、清洗和整个斯特林发电机系统的装配。同时完成了整个试验系统的建立以及进行了相关试验研究，主要包括：加热头、温控装置、冷却装置、外激励装置等的设计，完成了整个试验平台的搭建，并完成了系统的初步试验。利用现有条件对动子由板簧活塞组件和永磁体组成的直线发电机进行了等效机械谐振频率的试验验证。

目录

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注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1研究背景

1.2斯特林发动机工作原理、分类及国内外研究现状

1.3直线发电机介绍

1.4自由活塞式斯特林发电机设计制造的关键技术研究

1.5本文的主要研究内容

第二章 自由活塞式斯特林发电机主要性能参数的设计

2.1斯特林发动机设计的理论依据

2.2基本参数的选择

2.3不同腔室容积变化规律和发动机功率计算

2.4系统功率的优化

2.5直线发电机的主要性能参数设计

2.6本章小结

第三章 关键零部件的设计与加工

3.1板簧的设计与加工

3.2配气活塞与动力活塞的设计与加工

3.3本章小结

第四章 试验系统的搭建及相关试验研究

4.1斯特林发电机的组装

4.2试验辅助装置的设计

4.3实验平台的搭建

4.4试验步骤

4.5初步试验结果及分析

4.6直线发电机的等效机械谐振频率的试验验证

4.7本章小结

第五章 总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

致谢